專利名稱：532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及石英透射光柵，特別是一種針對(duì)綠光532納米波長(zhǎng)的高消光比、高衍射效率的532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
在許多光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，偏振分束器是一種關(guān)鍵元件，它可以將光分成兩束偏振模式相互垂直的偏振光。大多數(shù)應(yīng)用中，人們往往需要高消光比、高透射率或反射率、較寬的可操作波長(zhǎng)范圍和角度帶寬、體積小的偏振分束器。傳統(tǒng)的偏振分束器是基于一些晶體的自然雙折射效應(yīng)(例如Thomson棱鏡、Nicol棱鏡和Wollaston棱鏡)或者多層介質(zhì)膜的偏振選擇性。但是，利用雙折射晶體所制成的偏振分束器體積大、價(jià)格昂貴；而薄膜偏振分束器一般工作帶寬較小，薄膜層數(shù)達(dá)到幾十層，對(duì)均勻性和對(duì)稱性要求較嚴(yán)，加工較難，高消光比元件的成本很高。隨著微制造技術(shù)的快速發(fā)展，亞波長(zhǎng)光柵所表現(xiàn)出來(lái)的特有的光學(xué)效應(yīng)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。近來(lái)，一些研究工作報(bào)道了表面浮雕型光柵作為偏振分束器。與其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光柵結(jié)構(gòu)緊湊，易于小型化和集成化，并且插入損耗小，是一種無(wú)源器件。尤其是深刻蝕熔融石英光柵，損傷閾值很高，熱膨脹系數(shù)小，能夠在高強(qiáng)度激光和對(duì)穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的環(huán)境中工作。偏振分束光柵的制造可以借助成熟的微電子工藝技術(shù)，造價(jià)小，能夠大量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
矩形深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有較深槽形的光柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體光柵，具有高效率的體光柵布拉格衍射效應(yīng)，這一點(diǎn)與普通的表面淺刻蝕的平面光柵完全不同。高密度矩形深刻蝕光柵的衍射理論，不能由簡(jiǎn)單的標(biāo)量光柵衍射方程來(lái)解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過(guò)編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波理論的算法在先技術(shù)1M.G.Moharamet al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解決這類高密度光柵的衍射問(wèn)題。但據(jù)我們所知，沒(méi)有人針對(duì)常用綠光波長(zhǎng)532納米給出深刻蝕高密度石英透射偏振分束光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)常用綠光波長(zhǎng)532納米提供一種532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，該光柵可以將TE、TM兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向，實(shí)現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)衍射光消光比大于100，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％。因此能夠?qū)崿F(xiàn)高消光比、高衍射效率深刻蝕熔融石英透射偏振分束光柵，具有重要的實(shí)用意義。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度1.580-1.630微米，光柵的占空比為1/2。
所述的532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵的周期為404納米，光柵的刻蝕深度為1.605微米。


圖1是本發(fā)明532納米波長(zhǎng)的石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。在圖中，1代表光柵，2代表區(qū)域1(折射率為n1)，3代表區(qū)域2(折射率為n2)，4代表入射光，5代表TE模式下的0級(jí)衍射光，6代表TM模式下的1級(jí)衍射光。
圖2是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071，光柵占空比為1/2)在不同光柵周期和刻蝕深度下的消光比(10的次冪)。
圖3是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071，光柵占空比為1/2)在優(yōu)化光柵周期下(Λ＝404nm)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。
圖4是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071)光柵周期為404納米、光柵深度1.605微米，占空比為1/2，在532納米波段附近使用，各個(gè)波長(zhǎng)以相應(yīng)的Littrow角度入射到光柵時(shí)，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖5是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071)光柵周期為404納米、光柵深度1.605微米，占空比為1/2，入射光以41.18°角度(對(duì)應(yīng)于λ＝532納米)附近入射到光柵時(shí)，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖6是全息光柵的記錄光路。在圖中7代表氦鎘激光器，8代表快門，9代表分束鏡，10、11、12、13代表反射鏡，14、15代表擴(kuò)束鏡，16、17代表透鏡，18代表基片。
具體實(shí)施例方式
利用微光學(xué)技術(shù)制造高密度矩形偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的熔融石英基片上沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息記錄方式記錄光柵(見(jiàn)圖6)，采用He-Cd激光器7(波長(zhǎng)為0.441μm)作為記錄光源。記錄全息光柵時(shí)，快門8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經(jīng)過(guò)分束鏡9分成兩窄光束。一束通過(guò)反射鏡10后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過(guò)反射鏡11后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經(jīng)過(guò)反射鏡12、13后，以2θ夾角在基片18上形成干涉場(chǎng)。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示為Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ為記錄光波長(zhǎng)。記錄角θ越大，則Λ越小，所以通過(guò)改變?chǔ)鹊拇笮?，可以控制光柵的周?周期值可以由上述消光比和效率圖設(shè)計(jì))，記錄高密度光柵。接著，顯影后，用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到石英基片上，再用去鉻液將鉻膜去除，就得到高密度表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。
表1給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，在制作光柵的過(guò)程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形石英偏振分束光柵。由表1并結(jié)合圖2、3可知，該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米時(shí)，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％，實(shí)現(xiàn)了將兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向。特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時(shí)，本發(fā)明可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到1.01×104，TE偏振光0級(jí)透射衍射效率為97.13％，TM偏振光1級(jí)透射衍射效率為97.77％。
本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了高密度矩形深刻蝕石英光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率n1＝1)和石英(折射率n2＝1.46071)。光柵矢量K位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面，TM偏振入射光對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ))入射(定義為L(zhǎng)ittrow條件)，λ代表入射波長(zhǎng)，Λ代表光柵周期。該偏振分束光柵的消光比定義為0級(jí)透射衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1級(jí)透射衍射光中TM、TE偏振模式效率之比中較小的一值。
在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)1計(jì)算了深刻蝕熔融石英光柵(占空比為1/2)在綠光532納米波段的消光比和衍射效率。如圖2、3所示，依據(jù)理論計(jì)算得到高消光比、高衍射效率矩形光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，即當(dāng)光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米時(shí)，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％。特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時(shí)，可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到1.01×104，TE偏振光0級(jí)透射衍射效率為97.13％，TM偏振光1級(jí)透射衍射效率為97.77％。
如圖4所示，光柵的周期為404納米，深度為1.605微米，若考慮532納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對(duì)應(yīng)的Littrow角度入射到光柵時(shí)，該偏振分束光柵在522-543納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的消光比均可以達(dá)到100以上，即對(duì)應(yīng)于21納米的譜寬范圍，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于95.08％和96.04％。
如圖5所示，TE/TM偏振模式的入射光以41.18°角度(對(duì)應(yīng)于λ＝532納米)附近入射到光柵時(shí)，光柵的周期為404納米，深度為1.605微米，該偏振分束光柵在40.26°-42.22°角度范圍內(nèi)所有入射角的消光比均可以達(dá)到100以上，即對(duì)應(yīng)于1.96°的角度帶寬，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于97.08％和96.54％。
本發(fā)明的高密度石英透射光柵作為偏振分束器，具有很高的消光比和透射效率，不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，利用全息光柵記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是偏振分束器的一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
表1532納米波長(zhǎng)入射下，0級(jí)、+1級(jí)布拉格透射衍射效率η和消光比，d為光柵深度，Λ為光柵周期

權(quán)利要求
1.一種532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米，光柵的占空比為1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于所述的光柵的周期為404納米，光柵的刻蝕深度為1.605微米。
全文摘要
一種532納米波長(zhǎng)的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，該光柵的周期為395－412納米、刻蝕深度為1.580－1.630微米，光柵的占空比為1/2。其TE偏振光和TM偏振光分別在0級(jí)和1級(jí)透射，該偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TM偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％，特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時(shí)，消光比達(dá)到1.01×10
文檔編號(hào)G02B5/18GK1821817SQ200610024950
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者周常河, 王博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所